Программа учебной дисциплины Коллоидная химия

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Санкт-Петербургский государственный университет»

Факультет Химический

Кафедра коллоидной химии

 

Рассмотрено и рекомендовано «УТВЕРЖДАЮ»

на заседании кафедры

коллоидной химии 27 февраля 2009 г. декан факультета,

Протокол № 5 профессор

Зав. кафедрой, академик РАН

 

________________А.И. Русанов ______________А.Ю. Билибин

 

 

Программа учебной дисциплины

 

ОПД.Ф.08 «Коллоидная химия»

 

Федерального компонента цикла подготовки специалиста по специальности 020101 –«Химия»

 

Разработчики: профессор, д.х.н. М.П. Сидорова

профессор, д.х.н. Л.Э. Ермакова

 

 

Рецензенты: профессор, д.х.н. Н.А. Смирнова

профессор, д.х.н. В.М. Смирнов

 

 

Санкт-Петербург

2009 г.

Структура программы дисциплины

I. Организационно-методический раздел

1. Цель курса – освоение обучаемым фундаментальных знаний в области коллоидной химии – химии дисперсных систем и поверхностных явлений – и выработка практических навыков применения этих знаний.

2. Задачи курса - изложение основных положений и законов коллоидной химии, привитие навыков применения этих законов при решении конкретных задач.

3. Место курса в профессиональной подготовке выпускника.

Для успешного освоения курса коллоидной химии студенты должны овладеть основами термодинамического описания поверхностных явлений, представлениями о молекулярно-кинетических и оптических свойствах дисперсных систем, о капиллярных явлениях, о законах адсорбции компонентов на границах раздела фаз, о поверхностно-активных веществах, об образовании и строении двойного электрического слоя на границе раздела диэлектрик – раствор электролита и электрокинетических явлениях, об агрегрегативной устойчивости дисперсных систем, о коллоидно-химических основах охраны окружающей среды.

4. Требования к уровню освоения содержания курса.

Содержание курса входит в необходимый минимум профессиональных знаний выпускников – специалистов – химиков, также является необходимой основой для освоения специальных курсов и выполнения практических работ.

 

II. Содержание курса

1. Разделы курса: коллоидное состояние вещества и его особенности, молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем, основы термодинамического описания поверхностных явлений, явления адсорбции на границах раздела жидкость – газ, твердое тело – жидкость, газ – твердое тело; двойной электрический слой и электроповерхностные явления, агрегативная устойчивость и коагуляция лиофобных коллоидов, структурно-механические свойства дисперсных систем, примеры различных классов дисперсных систем, коллоидно-химические основы защиты природной среды.

 

2. Темы и краткое содержание

 

2.1. Коллоидное состояние вещества и его особенности.

Поверхностные явления и дисперсные системы. Принципы классификации дисперсных систем. Исторический обзор. Значение коллоидной химии на современном этапе. Наноструктуры и наноматериалы. Основные методы получения дисперсных систем.

 

2.2. Молекулярно-кинетические и оптические свойства дисперсных систем.

Броуновское движение. Осмос. Диффузия. Седиментационно-диффузионное равновесие. Оптические свойства коллоидных дисперсий. Методы определения размеров частиц.

 

2.3. Основы термодинамического описания поверхностных явлений.

Избыточная энергия на границе раздела фаз. Термодинамические функции поверхностного слоя. Метод избыточных величин Гиббса и метод слоя конечной толщины. Свободная поверхностная энергия. Единство силового и энергетического подходов. Смачивание, краевой угол. Уравнение Юнга. Работы когезии и адгезии. Флотация. Капиллярное давление. Изменение уровня жидкости в капиллярах. Химический потенциал и давление пара у искривленных поверхностей. Уравнение Томсона-Кельвина.

 

2.4. Адсорбция на границе раздела жидкость - газ.

Уравнение адсорбции Гиббса. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) и их ориентация в поверхностном слое. Классификация ПАВ. Моющее действие ПАВ. Адсорбция электролитов. Изотерма адсорбции Ленгмюра. Работа адсорбции. Правило Траубе. Уравнение Шишковского. Уравнение состояния поверхностного слоя разбавленных растворов. Поверхностное давление.

 

2.5. Пленки нерастворимых веществ.

Типы поверхностных пленок. Экспериментальные методы исследования мономолекулярных пленок. Газообразные пленки. Жидкие пленки. Пленки, осажденные на поверхности твердых тел. Белковые и полимерные пленки. Некоторые направления в исследовании и применении пленок.

 

2.6. Адсорбция газов и паров на поверхности твердых тел.

Теплоты физической адсорбции и смачивания. Теплоты хемосорбции. Адсорбционные силы. Динамика адсорбционного процесса. Теории Ленгмюра, Поляни и капиллярной конденсации. Теория многослойной адсорбции БЭТ. Состояние вещества в поверхностном слое и развитие представлений о мономолекулярной адсорбции.

 

2.7. Адсорбция на границе раздела твердое тело - жидкость.

Адсорбция чистых жидкостей. Граничные слои. Адсорбция неэлектролитов (молекулярная адсорбция). Типы изотерм. Уравнение Фрейндлиха. Ориентация молекул в поверхностном слое. Правило уравнивания полярностей Ребиндера. Адсорбция электролитов. Механизмы образования двойного электрического слоя (ДЭС) на ионных кристаллах и оксидах. Потенциалопределяющие и специфически сорбирующиеся ионы. Изоэлектрическая точка и точка нулевого заряда.

 

2.8. Двойной электрический слой и электроповерхностные явления.

Электрокапиллярные явления. Классическая теория ДЭС Гуи - Чепмена. Модифицированная теория Гуи. Теория специфической адсорбции Штерна. Представления Грэма. Емкость и толщина диффузного слоя. Зависимость параметров ДЭС от концентрации электролита. Потенциалы ДЭС. Электрокинетические явления: электроосмос, ток и потенциал течения, электрофорез, эффект Дорна. Практическое значение этих явлений. Электрокинетический потенциал и его зависимость от концентрации электролита. Электрокинетические свойства капиллярных систем. Поверхностная проводимость. Числа переноса ионов в капиллярных системах. Электродиализ.

 

2.9. Агрегативная устойчивость и коагуляция дисперсных систем.

Дисперсные системы и растворы высокомолекулярных соединений. (ВМС). Агрегативная устойчивость и коагуляция лиоофобных коллоидов. Кинетика быстрой коагуляции. Теория Смолуховского. Правило Шульце-Гарди. Теория устойчивости гидрофобных коллоидов Дерягина - Ландау - Фервея - Овербека (ДЛФО). Расклинивающее давление и его составляющие. Адсорбционно-сольватный барьер. Пептизация. Флокуляция. Защитное действие ВМС.

 

2.10. Структурно-механические свойства дисперсных систем.

Структурированные системы. Вязкость и упруго-пластические свойства дисперсных систем. Образование и разрушение структурированных систем.

 

2.11. Примеры различных классов коллоидных систем.

Капиллярные системы и мембраны. Суспензии и порошки. Эмульсии и пены. Высокомолекулярные соединения и их растворы (молекулярные коллоиды). Набухание ВМС. Полиэлектролиты и мембранное равновесие Доннана. Мицеллярные системы. Критическая концентрация мицеллообразования (ККМ). Зародышеобразование и рост кристаллов.

 

2.12. Коллоидно-химические основы защиты природной среды.

Классификация примесей, содержащихся в природных и сточных водах, по их дисперсности. Методы удаления примесей. Применение коагулянтов и флокулянтов. Значение мембранных методов разделения для охраны окружающей среды и создания замкнутых циклов производства.

 

3. Перечень примерных контрольных вопросов и заданий для самостоятельной работы.

Формируется преподавателем, исходя из того, какие темы он выбрал для самостоятельной подготовки.

 

4. Примерная тематика рефератов, курсовых работ.

Подготовка рефератов и курсовых работ по данному курсу лекций не предполагается.

 

5. Лабораторный практикум.

Выполняется в общем практикуме коллоидной химии и включает следующие работы:

1. Измерение поверхностного натяжения методом наибольшего давления пузырьков.

2. Применение уравнения Фрейндлиха к адсорбции органических кислот на твердых адсорбентах

3. Седиментационный анализ суспензий методом непрерывного взвешивания

4. Очистка растворов электролитов методом электродиализа

5. Исследование зон коагуляции с помощью электрофотоколориметра

6. Исследование процесса набухания твердых полимеров

 

6. Примерный перечень вопросов к экзамену по всему курсу.

Перечень вопросов к экзамену по всему курсу определяется преподавателем, исходя из тем, включенных в данную программу.

III. Распределение часов курса по темам и видам работ

IV. Формы контроля: сдача коллоквиумов (2) в практикуме коллоидной химии; итоговый экзамен в 5 семестре.  

V. Учебно-методическое обеспечение курса.

  1. Фридрихсберг Д.А. Курс коллоидной химии. Л., Химия, 1974, 1984, 1995. 2. Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. Коллоидная химия. Москва: Высшая школа, 2004.